JP2009538238A - Micromachine component and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

本発明によれば、マイクロマシン構成素子を実現するための安価な技術が提供されており、前記構成素子は、少なくとも１つの対抗エレメント（１３）と上側に少なくとも１つのダイヤフラム（１２）とを備えた層構造を有しており、前記ダイヤフラム（１２）と対抗エレメント（１３）との間に中空室が形成されていて、前記対抗エレメントが、この対抗エレメントの背面スペースに通じる少なくとも１つの貫通開口（４）を有している。前記背面スペースは、前記対抗エレメント（１３）の下側の閉じられた別の中空室（６）によって形成されており、該別の中空室（６）が、少なくとも１つの圧力補償開口（５）を介して層構造の上側に接続されている。このような構成素子構造は、マイクロマシンセンサ機能と電子評価装置とを１つのチップ上に積層することを可能とし、しかも、大量生産のために適している。  According to the present invention, an inexpensive technique for realizing a micromachine component is provided, the component comprising at least one counter element (13) and at least one diaphragm (12) on the upper side. And having a layered structure, a hollow chamber is formed between the diaphragm (12) and the counter element (13), and the counter element has at least one through-opening (leading to a back space of the counter element ( 4). The back space is formed by another closed hollow chamber (6) below the counter element (13), which further hollow chamber (6) has at least one pressure compensation opening (5). Is connected to the upper side of the layer structure. Such a component structure makes it possible to stack the micromachine sensor function and the electronic evaluation device on one chip, and is suitable for mass production.

Description

本発明は、層構造を有するマイクロマシン構成素子（mikromechanisches Bauelemen；微細加工された構成素子）であって、少なくとも１つの対抗エレメントと上側の少なくとも１つのダイヤフラムとを備えており、前記ダイヤフラムと対抗エレメントとの間に中空室が形成されていて、前記対抗エレメントが、この対抗エレメントの背面空間に通じる少なくとも１つの貫通開口を有している形式のものに関する。さらに本発明は、このような構成素子を製造するための方法に関する。   The present invention is a micromachine component (mikromechanisches Bauelemen) having a layer structure, and includes at least one counter element and at least one diaphragm on the upper side, and the diaphragm and counter element, A hollow chamber is formed between the counter elements, and the counter element has at least one through opening communicating with a back space of the counter element. The invention further relates to a method for producing such a component.

このような形式の構成素子は、実際には、しばしばマイクロフォン構成素子として例えば補聴器又は移動通信システムとして使用される。この場合、ダイヤフラムは、音響受信機として用いられる。容量性のマイクロフォンにおいては、対抗エレメントが、同様に電極として働くダイヤフラムのための対抗電極として設計されている。対抗エレメントに設けられた貫通開口は、背面スペースに通じる圧力補償を可能にする。   Such types of components are often often used as microphone components, for example as hearing aids or mobile communication systems. In this case, the diaphragm is used as an acoustic receiver. In capacitive microphones, the counter element is designed as a counter electrode for a diaphragm that also acts as an electrode. A through opening provided in the counter element enables pressure compensation leading to the back space.

ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００５０４２６６４．６号明細書には、冒頭に述べた形式の構成素子について記載されている。この構成素子の層構造は、表面マイクロマシンプロセシング（表面微細加工）によって生ぜしめられたダイヤフラムを有している。このダイヤフラムは、その他のチップ領域上に浮き出していて、中空室を画成し、この中空室の底部が対抗エレメントによって形成されるようになっている。層構造の裏面マイクロマシンプロセッシング（裏面微細加工）によって、対抗エレメントの裏面が露出される。さらに、対抗エレメントは貫通開口を有しているので、この構成素子の裏面を介して圧力補償が行われる。   German Patent Application No. 102005042644.6 describes a component of the type mentioned at the outset. The layer structure of this component has a diaphragm produced by surface micromachine processing (surface micromachining). The diaphragm is raised above the other chip region to define a hollow chamber, and the bottom of the hollow chamber is formed by a counter element. The back surface of the counter element is exposed by backside micromachine processing (backside micromachining) of the layer structure. Furthermore, since the counter element has a through-opening, pressure compensation is performed via the back surface of this component.

このような形式の構成素子のための多くの使用例では、高い程度の小型化が必要とされる。これは一方では、マイクロマシン構成素子を縮小することによって得られ、この場合、電気音響学的な性能が維持されるか又はさらに改善される必要があり、他方では、同一のチップ上に電子評価装置を集積することによって得られる。いずれの場合も、前記従来技術に記載されているように、層構造の裏面マイクロマシンプロセッシングとの調和は得られない。   Many uses for these types of components require a high degree of miniaturization. This is obtained on the one hand by reducing the micromachine components, in which case the electroacoustic performance needs to be maintained or further improved, on the other hand the electronic evaluation device on the same chip. Is obtained by accumulating. In either case, as described in the prior art, harmony with the backside micromachine processing of the layer structure cannot be obtained.

発明の開示
本発明によれば、マイクロマシンセンサ機能及び電子評価装置を簡単に１つのチップ上に集積することができ、大量生産にも適した安価な技術を提供することができる。 DISCLOSURE OF INVENTION According to the present invention, a micromachine sensor function and an electronic evaluation device can be easily integrated on one chip, and an inexpensive technique suitable for mass production can be provided.

このために本発明によれば、構成素子の背面スペースが、前記対抗エレメントの下側の閉じられた別の中空室によって形成されており、該別の中空室が、少なくとも１つの圧力補償開口を介して層構造の上側に接続されている。   To this end, according to the invention, the back space of the component is formed by another closed hollow chamber below the counter element, which further hollow has at least one pressure compensation opening. And is connected to the upper side of the layer structure.

本発明による構成素子の構造は、純粋な表面マイクロマシンプロセッシング（ＯＭＭ）によって生ぜしめられる。層構造の裏面のプロセシングは、バルクマイクロマシン（ＢＭＭ）では必要とされない。これによって付加的なプロセス段階及びひいては製造コストは削減される。純粋な表面マイクロマシンプロセシングのその他の利点は、最小の構造的大きさで、多くの実現可能な設計及び構成形状にある。例えばＳＭＤ（表面実装デバイス）に適した小型のチップをＯＭＭによって製造することができる。これはＢＭＭによって可能である。しかも、ＯＭＭの技術は、マイクロエレクトロニクス（超小型電子工学）の製造技術に関連しているので、本発明による構成素子を大量生産するための安価なバッチプロセス（Batch-Prozesse；回分プロセス）を使用することができる。ＯＭＭのプロセス及びＣＭＯＳプロセスは、一般的に両立するので、センサ技術及び電子評価装置は、簡単に１つのチップ上に集積することができる。   The structure of the component according to the invention is produced by pure surface micromachine processing (OMM). Processing of the back side of the layer structure is not required in bulk micromachines (BMM). This reduces additional process steps and thus manufacturing costs. Other advantages of pure surface micromachine processing lie in many possible designs and configurations with minimal structural dimensions. For example, a small chip suitable for SMD (surface mount device) can be manufactured by OMM. This is possible with BMM. Moreover, since OMM technology is related to microelectronics (microelectronics) manufacturing technology, it uses an inexpensive batch process (Batch-Prozesse) for mass production of components according to the present invention. can do. Since the OMM process and the CMOS process are generally compatible, the sensor technology and the electronic evaluation device can be easily integrated on one chip.

本発明による構成素子の有利な変化実施例によれば、対抗エレメントの下側の別の中空室が少なくとも１つの狭窄部を有しているか、又は互いに連通する複数の空洞によって形成されている。選択的に、この中空室は、互いに連通している複数の空洞によって形成されてもよい。この場合、中空室の壁部は、対抗エレメントのための支持部を形成していて、この支持部の機械的な形状安定性を高める。これによって、本発明による構成素子を製造するための、例えばプラズマ又はＣＭＰによって対抗エレメントを平面化するための、プロセスの自由度は高められる。   According to an advantageous variant of the component according to the invention, another hollow chamber below the counter element has at least one constriction or is formed by a plurality of cavities communicating with one another. Optionally, the hollow chamber may be formed by a plurality of cavities communicating with each other. In this case, the wall of the hollow chamber forms a support for the counter element and increases the mechanical shape stability of this support. This increases the degree of freedom of the process for producing the component according to the invention, for example planarizing the counter element by means of plasma or CMP.

本発明による構成素子の有利な実施態様によれば、対抗エレメントの下の中空室の圧力接続部を側方に変向させるために、層構造の上側で圧力補償開口がカバーされている。このような形式で、ダイヤフラムに作用する圧力が、圧力補償開口を介して対抗エレメントの下の中空室内に達することは、簡単に避けることができる。これによって、この中空室が、ダイヤフラムと対抗エレメントとの間の中空室のための補償容積を形成することが保証される。このような形式による圧力補償開口のカバーは、例えばボンディングされたキャップウェーハの構造で実現される。   According to an advantageous embodiment of the component according to the invention, a pressure compensation opening is covered on the upper side of the layer structure in order to deflect the pressure connection of the hollow chamber under the counter element to the side. In this manner, the pressure acting on the diaphragm can easily be avoided from reaching the hollow chamber under the counter element via the pressure compensation opening. This ensures that this hollow chamber forms a compensation volume for the hollow chamber between the diaphragm and the counter element. The cover of the pressure compensation opening in this manner is realized, for example, with a bonded cap wafer structure.

前述のように、本発明による構成素子の構造は、純粋な表面マイクロマシンプロセッシング（oberflaechenmikromechanische Prozessierung；表面微細加工プロセッシング）によって生ぜしめられる。このような構成素子を製造するための本発明による方法は、基板から出発しており、この基板上に少なくとも１つの第１の層が生ぜしめられる。この第１の層内に少なくとも基板まで達する開口を形成し、この際に、少なくとも１つの開口を対抗エレメント内の貫通開口として、形成しようとするダイヤフラムの領域内に配置し、少なくとも１つの別の開口を圧力補償開口として、形成しようとするダイヤフラムの隣の領域に配置する。層構造の上側を基点として、前記第１の層内の前記開口を介して行う第１のエッチング段階で、第１の層の下側に基板の中空室を形成する。次いで、微細加工された第１の層の上側に少なくとも１つの犠牲層を形成し、この際に、前記第１の層内の前記開口を閉鎖する。前記犠牲層に前記ダイヤフラムのためのフレーム領域を形成し、前記犠牲層上に、ダイヤフラム材料から少なくとも１つの層を析出し、かつ微細加工する。次いで、層構造の上側を基点として、前記第１の層内の補償開口と、前記第１の層の下の前記中空室と、前記対抗エレメントの貫通開口とを介して行う第２のエッチング段階で、前記犠牲層を取り除くことによって、前記ダイヤフラムを露出するようにした。   As mentioned above, the structure of the component according to the invention is produced by pure surface micromachine processing (oberflaechenmikromechanische Prozessierung). The method according to the invention for producing such a component starts from a substrate, on which at least one first layer is produced. An opening reaching at least the substrate is formed in the first layer, wherein at least one opening is arranged as a through-opening in the counter element in the region of the diaphragm to be formed, and at least one other The opening is arranged as a pressure compensation opening in a region adjacent to the diaphragm to be formed. A hollow chamber of the substrate is formed below the first layer in a first etching step performed through the opening in the first layer, starting from the upper side of the layer structure. Then, at least one sacrificial layer is formed above the microfabricated first layer, with the opening in the first layer being closed. A frame region for the diaphragm is formed in the sacrificial layer, and at least one layer is deposited from the diaphragm material on the sacrificial layer and microfabricated. Then, a second etching step is performed through the compensation opening in the first layer, the hollow chamber below the first layer, and the through opening of the counter element, starting from the upper side of the layer structure. Then, the diaphragm is exposed by removing the sacrificial layer.

基本的に、本発明による方法を実現するための多くの可能性、実施態様及び変化実施例がある。このために、方法の独立請求項に従属する請求項が参照され、また以下に記載した図面に関する実施例が参照される。   In principle, there are many possibilities, embodiments and variants for implementing the method according to the invention. For this purpose, reference is made to the claims subordinate to the independent method claims, and also to the examples relating to the drawings described below.

本発明による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to the invention. 本発明による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to the invention. 図２に示した層構造の上側の平面図である。It is a top view of the upper side of the layer structure shown in FIG. 本発明による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to the invention. 本発明による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to the invention. 本発明による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to the invention. 本発明による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to the invention. 本発明による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to the invention. 本発明による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to the invention. 本発明の変化実施例による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to a variant embodiment of the invention. 本発明の変化実施例による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to a variant embodiment of the invention. 本発明の変化実施例による構成素子を製造するための方法段階の連続を示す、層構造の概略的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a layer structure showing a sequence of method steps for manufacturing a component according to a variant embodiment of the invention. 層構造の上側の平面図である。It is a top view of the upper side of a layer structure.

実施例の説明
前述のように、本発明による構成素子の層構造は、基板の表面マイクロマシンプロセシングによって形成される。図示の実施例における原材料として、ｐドーピングされたシリコン基板１が用いられる。このシリコン基板１のドーピング及び配向は任意であってよい。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS As described above, the layer structure of the component according to the invention is formed by surface micromachine processing of the substrate. As a raw material in the illustrated embodiment, a p-doped silicon substrate 1 is used. The doping and orientation of the silicon substrate 1 may be arbitrary.

標準ＣＭＯＳプロセスを用いることができるようにするために、有利には、比抵抗２．７５オーム（Ｏｈｍ）／ｃｍを有する、（１００）配向された材料が使用される。図１には、第１の層２を被着した後の基板１が示されており、この第１の層２に後で、構成素子の対抗エレメントが形成される。層２は、有利には２μｍ〜２０μｍの厚さを有するｎドーピングされたエピタキシャル層である。このような層は、ＰＯＣ１３被覆又は打ち込みによっても形成することができる。構成素子のための評価回路として、ＡＳＩＣ３が層２内に組み込まれている。このＡＳＩＣ３は、必要であれば、図示していないマスク層によって、以下に記載する表面微細構造化プロセシングに対して保護される。   In order to be able to use a standard CMOS process, a (100) oriented material having a specific resistance of 2.75 ohm / cm is advantageously used. FIG. 1 shows the substrate 1 after the first layer 2 has been deposited, on which a counter element of the component is subsequently formed. Layer 2 is preferably an n-doped epitaxial layer having a thickness of 2 μm to 20 μm. Such a layer can also be formed by POC13 coating or implantation. An ASIC 3 is incorporated in the layer 2 as an evaluation circuit for the component. This ASIC 3 is protected against surface microstructured processing as described below, if necessary, by a mask layer not shown.

図２及び図３に示した次の方法段階で、第１の層２に開口４，５が形成される。これらの開口４，５は、ここではトレンチプロセスでエッチングされ、基板１内まで達している。開口４は、これから形成しようとするダイヤフラムの下の領域内における対抗エレメントの貫通開口として設計されており、これに対して開口５は、これから形成しようとするダイヤフラムの隣の領域内における圧力補償開口として配置されている。図３は、前記開口４，５の可能な配置及び幾何学形状の平面図を示す。ダイヤフラム領域内には有利には、例えば約０．５μｍ〜３μｍの直径を有する、複数の小さい開口が形成される。開口４は、ここでは六角形状に配置されているが、その他の数及び配置の開口４を設けてもよい。開口５は、１０μｍまでの長さを有している。この開口５は、ダイヤフラムの側方に任意に配置してよい。典型的には、ダイヤフラムに対する間隔は１０μｍ〜３００μｍである。   In the next method step shown in FIGS. 2 and 3, openings 4 and 5 are formed in the first layer 2. These openings 4 and 5 are etched by a trench process here and reach the inside of the substrate 1. The opening 4 is designed as a through-opening of the counter element in the area below the diaphragm to be formed, whereas the opening 5 is a pressure compensating opening in the area next to the diaphragm to be formed. Is arranged as. FIG. 3 shows a plan view of the possible arrangements and geometric shapes of the openings 4, 5. A plurality of small openings are advantageously formed in the diaphragm region, for example having a diameter of about 0.5 μm to 3 μm. The openings 4 are arranged in a hexagonal shape here, but other numbers and arrangements of the openings 4 may be provided. The opening 5 has a length of up to 10 μm. This opening 5 may be arbitrarily arranged on the side of the diaphragm. Typically, the distance to the diaphragm is 10 μm to 300 μm.

図３に示されているように、開口５は、層構造の縁部領域に配置されているので、構成素子の運転時に圧力補償は側方から行われる。   As shown in FIG. 3, since the openings 5 are arranged in the edge region of the layer structure, pressure compensation is carried out from the side during operation of the component.

開口４，５は、もっぱら、層構造の上側から出発する第１のエッチング段階においてエッチング開口としても使用される。このエッチング開口を介して、基板１内で中空室６が第１の層２の下に形成される。図示の実施例では、第１のエッチング段階はフッ化水素酸（ＨＦ）内での電気仕上げ段階（Elektropoliturschritt）を有している。この場合、ｐドーピングされたシリコン基板１だけが腐食される。これに対して、シリコンの電気化学的な溶解の高いドーピング選択性に基づいて、ｎドーピングされた第１の層２は腐食されない。３００μｍまでの中空室６の深さが簡単に得られる。プロセスパラメータの調節に従って、１０μｍ／ｓｅｃ（毎秒１０μｍ）までのエッチング率が得られる。ＨＦ集中（高周波集中）は、基本的な形式で５〜４０％ｍの間で移動し、この場合、作用は、５〜３０％ｖｏｌの界面活性剤を添加することによってさらに改善される。電流密度は、高周波集中毎に、数１０ｍＡ／ｃｍ２〜数Ａ／ｃｍ２までである。反応時に発生する反応ガスは、穿孔された第１の層２を破壊することなしに、開口４，５を通って漏れ出る。図４には、開口４及び５の下に連通している中空室６が形成される第１のエッチング段階後の層構造が示されている。   The openings 4 and 5 are also used as etching openings exclusively in the first etching stage starting from the upper side of the layer structure. Through this etching opening, a hollow chamber 6 is formed under the first layer 2 in the substrate 1. In the illustrated embodiment, the first etching stage comprises an electrical finishing stage (Elektropoliturschritt) in hydrofluoric acid (HF). In this case, only the p-doped silicon substrate 1 is eroded. In contrast, based on the high doping selectivity of the electrochemical dissolution of silicon, the n-doped first layer 2 is not eroded. The depth of the hollow chamber 6 up to 300 μm is easily obtained. Etching rates up to 10 μm / sec (10 μm per second) can be obtained according to the process parameter adjustment. HF concentration (high frequency concentration) moves between 5-40% m in a basic manner, in which case the action is further improved by adding 5-30% vol surfactant. The current density is several tens of mA / cm2 to several A / cm2 for each high frequency concentration. The reaction gas generated during the reaction leaks through the openings 4 and 5 without destroying the perforated first layer 2. FIG. 4 shows the layer structure after the first etching stage in which a hollow chamber 6 is formed communicating below the openings 4 and 5.

次の方法段階で、犠牲層７が多孔性の第１の層２に被着され、この際に第１の層２の開口４，５が閉鎖される。このために、図示の実施例ではＳｉＧｅが、第１の層２上にＬＰＣＶＤプロセスによって十分に適合して析出される。図５は、犠牲層７の層厚に達した後の層構造を示しており、この犠牲層７の層厚は、開口直径の半分に相当するので、開口４，５は閉鎖されている。標準的に０．５〜２μｍのＳｉＧｅが析出される。この場合、開口５の最少直径が、閉鎖のために必要とされる層厚を決定する。   In the next method step, the sacrificial layer 7 is applied to the porous first layer 2, with the openings 4, 5 of the first layer 2 being closed. For this purpose, in the embodiment shown, SiGe is deposited on the first layer 2 in a well adapted manner by means of an LPCVD process. FIG. 5 shows the layer structure after the layer thickness of the sacrificial layer 7 is reached. Since the layer thickness of the sacrificial layer 7 corresponds to half the diameter of the opening, the openings 4 and 5 are closed. Typically 0.5-2 μm SiGe is deposited. In this case, the minimum diameter of the opening 5 determines the layer thickness required for closing.

次いで犠牲層７が平面化される。しかもフレーム領域８が処理される（これは図６に示されている）。この場合、絶縁材料としてＳｉＯ２が使用される。   The sacrificial layer 7 is then planarized. Moreover, the frame area 8 is processed (this is shown in FIG. 6). In this case, SiO2 is used as the insulating material.

図７は、ドーピングされたポリシリコンからダイヤフラムを形成するために、犠牲層７上にドーピングされたポリシリコン層１０が析出され、かつ微細加工された後の、層構造を示す。この場合、ダイヤフラムは音圧のためのセンサとして使用され、ダイヤフラム変形を容量的に評価するための電極として働く。ここでは、圧力補償開口５内の犠牲層は符号１１で示されている。   FIG. 7 shows the layer structure after the doped polysilicon layer 10 has been deposited and microfabricated on the sacrificial layer 7 to form a diaphragm from doped polysilicon. In this case, the diaphragm is used as a sensor for sound pressure and serves as an electrode for capacitively evaluating diaphragm deformation. Here, the sacrificial layer in the pressure compensation opening 5 is denoted by reference numeral 11.

次の方法段階で、ＣｌＦ３エッチングによって全犠牲層材料ＳｉＧｅが除去されることによって、ダイヤフラム１２が露出される。この場合、ダイヤフラム１２のポリシリコンも、またシリコン基板１も、またフレーム領域８のＳｉＯ２も腐食されることはない。まず、第１の層２上の犠牲層７の露出した材料が取り除かれる。次いで、圧力補償開口５内の犠牲層材料１１が取り除かれ、それによってエッチング媒体が第１の層２の下の中空室６内に侵入して、中空室６の壁部における犠牲層材料も腐食するようになっている。最後に、開口４内の及びダイヤフラム１２の下の犠牲層材料も取り除かれる。ダイヤフラム１２は、外側の圧力補償開口５及び中空室６を介して犠牲層材料をエッチングすることによっても露出される。この第２のエッチング段階の結果、つまり多孔性の対抗電極１３上で片持ち式に支持された、閉じたダイヤフラム１２が、図８に示されている。このコンデンサ構造の下に、中空室６として形成された大容量の補償容積が存在している。   In the next method step, the diaphragm 12 is exposed by removing all the sacrificial layer material SiGe by ClF3 etching. In this case, neither the polysilicon of the diaphragm 12 nor the silicon substrate 1 nor the SiO 2 of the frame region 8 is corroded. First, the exposed material of the sacrificial layer 7 on the first layer 2 is removed. The sacrificial layer material 11 in the pressure compensation opening 5 is then removed, so that the etching medium penetrates into the hollow chamber 6 below the first layer 2 and the sacrificial layer material in the walls of the hollow chamber 6 also corrodes. It is supposed to be. Finally, the sacrificial layer material in the opening 4 and under the diaphragm 12 is also removed. The diaphragm 12 is also exposed by etching the sacrificial layer material through the outer pressure compensation opening 5 and the hollow chamber 6. The result of this second etching step, the closed diaphragm 12 supported in a cantilevered manner on the porous counter electrode 13 is shown in FIG. Under this capacitor structure, there is a large-capacity compensation volume formed as a hollow chamber 6.

次いで、露出された圧力補償開口５は、ダイヤフラム１２上に作用する音圧が圧力補償開口５を介して補償容積としての中空室６内に達することがないように、キャップウェーハ１４によって閉じられて側方又は下方に導かれる。図９は、結合された２つのキャップウェーハ１４を備えた層構造を示す。   Next, the exposed pressure compensation opening 5 is closed by the cap wafer 14 so that the sound pressure acting on the diaphragm 12 does not reach the hollow chamber 6 as the compensation volume via the pressure compensation opening 5. Guided laterally or downward. FIG. 9 shows a layer structure with two cap wafers 14 joined together.

図８に示されているように、構成素子を製造するための本発明による方法の枠内で、ＳｉＧｅの代わりに、別の犠牲層材料を使用してもよい。例えば図１０に示した、ＰＥＣＶＤ酸化物も適している。第１の層２上にＳｉＧｅを析出する場合、開口４、５が閉鎖されるまで、これらの開口４及び５を介して中空室６の壁部も被覆されるのに対して、ＰＥＣＶＤ酸化物の場合、開口４，５は、中空室６の壁部に酸化物層が形成されることなしに、犠牲層１５のＰＥＣＶＤ酸化物によって閉鎖される。これによって、ダイヤフラムと多孔性の対抗電極との間のより大きい間隔が得られる。ダイヤフラムと対抗電極との間で電気的な絶縁を形成するフレーム領域１６は、ここでは、ＳｉＮによって、又はｐドーピングによって実現される。ダイヤフラムとしてのポリシリコン層を析出及び構造化（微細加工）した後で、ＳｉＯ２犠牲層１５はＨＦ蒸気エッチングによって選択的にパターン形成される。   As shown in FIG. 8, another sacrificial layer material may be used instead of SiGe within the framework of the method according to the invention for manufacturing the component. For example, the PECVD oxide shown in FIG. 10 is also suitable. When depositing SiGe on the first layer 2, the walls of the hollow chamber 6 are also covered through these openings 4 and 5 until the openings 4 and 5 are closed, whereas PECVD oxide In this case, the openings 4 and 5 are closed by the PECVD oxide of the sacrificial layer 15 without forming an oxide layer on the wall of the hollow chamber 6. This provides a greater spacing between the diaphragm and the porous counter electrode. The frame region 16 that forms the electrical insulation between the diaphragm and the counter electrode is here realized by SiN or by p-doping. After depositing and structuring (micromachining) the polysilicon layer as a diaphragm, the SiO2 sacrificial layer 15 is selectively patterned by HF vapor etching.

さらにまた、図１１に示されているように、犠牲層はドーピングされたポリシリコンより成っていてよい。この場合、シリコン構造は、犠牲層１７を被着する前に熱的な酸化によって不動態化される。このために数１０ｎｍの酸化物で十分であるので、生じるストレスは無視することができる程度である。開口４，５は、ここでも犠牲層材料によって閉鎖される。ダイヤフラム材料として誘電体１８が使用される。このために、例えばＳｉＯ２，ＳｉＮ，Ｓｉ３Ｎ４又はＳｉＣが適している。電気的な接続は、薄い金属層１９をスパッタリングすることによって実現される。   Furthermore, as shown in FIG. 11, the sacrificial layer may be made of doped polysilicon. In this case, the silicon structure is passivated by thermal oxidation before depositing the sacrificial layer 17. For this purpose, an oxide of several tens of nanometers is sufficient, and the resulting stress is negligible. The openings 4 and 5 are again closed by the sacrificial layer material. A dielectric 18 is used as the diaphragm material. For this purpose, for example, SiO2, SiN, Si3N4 or SiC is suitable. The electrical connection is realized by sputtering a thin metal layer 19.

多孔性のｎドーピングされた対抗電極１３の導電性は、表面近傍における付加的な打ち込みによって対抗電極１３のドーピングを調節することによって、所望に高めることができる。これは図１２に示されている。ｎエピタキシャル層２のドーピングは、標準的な形式で１０15／ｃｍ3である。つまり、比抵抗は１０オームｃｍ（Ｏｈｍｃｍ）より大きい。図１２にはさらに、層２の下の中空室６の縁部領域における基板１内のｎドーピングされた領域２３が示されている。この領域２３は、層２を析出する前に形成される。このｎドーピングされた領域２３は、深いマスクとして作用し、局所的に構成素子構造の形状安定性を高める。 The conductivity of the porous n-doped counter electrode 13 can be increased as desired by adjusting the doping of the counter electrode 13 by additional implantation near the surface. This is illustrated in FIG. The doping of the n epitaxial layer 2 is 10 15 / cm 3 in a standard manner. That is, the specific resistance is greater than 10 ohm cm (Ohmcm). FIG. 12 further shows an n-doped region 23 in the substrate 1 in the edge region of the hollow chamber 6 below the layer 2. This region 23 is formed before the layer 2 is deposited. This n-doped region 23 acts as a deep mask and locally enhances the shape stability of the component structure.

ダイヤフラムの下に、静摩擦防止層を設ける必要がある場合、これは、例えばダイヤフラムを析出する前に行われるか、又は犠牲層のエッチング後に圧力補償開口を介して同一の低圧プロセスによって行われる。   If it is necessary to provide a static friction prevention layer underneath the diaphragm, this can be done, for example, before depositing the diaphragm or by the same low pressure process via a pressure compensating opening after etching the sacrificial layer.

本発明による構成素子の導電性及び形状安定性は、主に対抗電極１３の下の中空室の大きさ及び形状に基づいている。対抗電極１３内に貫通開口４を適切に配置することによって、唯一の大きい中空室６だけが形成されるのではなく、互いに接続された複数の小さい中空室が形成される。これらの中空室は、支持接続部若しくは狭窄部２４によって部分的に分離されている。図３は、このようにして形成された中空室を備えた構成素子の平面図を示す。支持接続部若しくは狭窄部２４によって、中空室６の上に位置する対抗電極１３の機械的な形状安定性が改善されるので、構成素子を製造する際に、製造プロセスのより大きい自由度が得られる。   The conductivity and shape stability of the component according to the invention are mainly based on the size and shape of the hollow chamber under the counter electrode 13. By appropriately arranging the through-opening 4 in the counter electrode 13, not only a single large hollow chamber 6 is formed, but a plurality of small hollow chambers connected to each other are formed. These hollow chambers are partially separated by a support connection or constriction 24. FIG. 3 shows a plan view of a component with a hollow chamber formed in this way. The support connection or constriction 24 improves the mechanical shape stability of the counter electrode 13 located above the hollow chamber 6, so that a greater freedom of the manufacturing process is obtained when manufacturing the component. It is done.

本発明による構成素子は、マイクロフォンとしての用途に限定されるものではなく、例えば圧力測定等の別の用途のために、又は音響変換器（Schallwandler）として構成してもよい。   The component according to the invention is not limited to use as a microphone, but may be configured for another application, for example pressure measurement, or as an acoustic transducer.

Claims (15)

少なくとも１つの対抗エレメント（１３）と上側に少なくとも１つのダイヤフラム（１２）とを備えた層構造を有する、マイクロマシン構成素子であって、前記ダイヤフラム（１２）と対抗エレメント（１３）との間に中空室が形成されていて、前記対抗エレメントが、この対抗エレメントの背面スペースに通じる少なくとも１つの貫通開口（４）を有している形式のものにおいて、
前記背面スペースが、前記対抗エレメント（１３）の下側の閉じられた別の中空室（６）によって形成されており、該別の中空室（６）が、少なくとも１つの圧力補償開口（５）を介して層構造の上側に接続されていることを特徴とする、マイクロマシン構成素子。 A micromachine component having a layer structure with at least one counter element (13) and at least one diaphragm (12) on the upper side, hollow between said diaphragm (12) and counter element (13) A chamber is formed, the counter element having at least one through-opening (4) leading to the back space of the counter element;
The back space is formed by another closed hollow chamber (6) below the counter element (13), which further hollow chamber (6) has at least one pressure compensation opening (5). A micromachine component which is connected to the upper side of the layer structure via 前記対抗エレメント（１３）の下側の別の中空室（６）が少なくとも１つの狭窄部（２４）を有しているか、又は互いに連通する複数の空洞によって形成されている、請求項１記載のマイクロマシン構成素子。   The other hollow chamber (6) below the counter element (13) has at least one constriction (24) or is formed by a plurality of cavities communicating with one another. Micromachine component. 少なくとも１つの前記貫通開口（５）は、不都合な圧力が作用しないように、層構造の上側でカバーされている、請求項１又は２記載のマイクロマシン構成素子。   The micromachine component according to claim 1 or 2, wherein at least one of the through-openings (5) is covered on the upper side of the layer structure so that no adverse pressure is applied. 前記ダイヤフラム（１２）と前記対抗エレメント（１３）とが、ダイヤフラムの変形を容量式に検出するための電極として働く、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロマシン構成素子。   The micromachine component according to any one of claims 1 to 3, wherein the diaphragm (12) and the counter element (13) serve as electrodes for capacitively detecting the deformation of the diaphragm. 前記層構造が、基板（１）と、該基板（１）上の少なくとも１つの第１の層（２）とを有しており、
前記対抗エレメント（１３）が第１の層（２）内に形成されており、
前記ダイヤフラム（１２）が、少なくとも１つの別の層（１０）内で前記電極としての前記対抗エレメント（１３）上に形成されており、
前記別の中空室（６）が、前記基板（１）内で前記対抗エレメント（１３）の下に形成されている、
ことを特徴とする、マイクロマシン構成素子。 The layer structure comprises a substrate (1) and at least one first layer (2) on the substrate (1);
The counter element (13) is formed in the first layer (2);
The diaphragm (12) is formed on the counter element (13) as the electrode in at least one other layer (10);
The further hollow chamber (6) is formed in the substrate (1) under the counter element (13);
A micromachine component characterized by that. 少なくとも１つの対抗エレメント（１３）と上に少なくとも１つのダイヤフラム（１２）とを備えた層構造を有し、前記ダイヤフラム（１２）と対抗エレメント（１３）との間に中空室が形成されていて、前記対抗エレメントが、この対抗エレメントの背面空間に通じる少なくとも１つの貫通開口（４）を有している形式の、請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロマシン構成素子を製造するための方法において、
基板（１）上に少なくとも１つの第１の層（２）を形成し、
前記第１の層（２）内に少なくとも前記基板（１）まで達する開口（４，５）を形成し、この際に、少なくとも１つの開口（４）を対抗エレメント（１３）内の貫通開口として、形成しようとするダイヤフラムの領域内に配置し、少なくとも１つの別の開口（５）を圧力補償開口として、形成しようとするダイヤフラム（１２）の隣の領域に配置し、
層構造の上側を基点として、前記第１の層（２）内の前記開口（４，５）を介して行う第１のエッチング段階で、第１の層（２）の下側に基板（１）の中空室（６）を形成し、
微細加工された第１の層（２）の上側に少なくとも１つの犠牲層（７）を形成し、この際に、前記第１の層（２）内の前記開口（４，５）を閉鎖し、
前記犠牲層（７）に前記ダイヤフラム（１２）のためのフレーム領域（８）を形成し、
前記犠牲層（７）上に、ダイヤフラム材料から少なくとも１つの層（１０）を析出し、かつ微細加工し、
層構造の上側を基点として、前記第１の層（２）内の補償開口（５）と、前記第１の層（２）の下の前記中空室（６）と、前記対抗エレメント（１３）の貫通開口（４）とを介して行う第２のエッチング段階で、前記犠牲層を取り除くことによって、前記ダイヤフラム（１２）を露出する、
ことを特徴とする、マイクロマシン構成素子を製造するための方法。 It has a layer structure comprising at least one counter element (13) and at least one diaphragm (12) thereon, and a hollow chamber is formed between the diaphragm (12) and the counter element (13). 6. The micromachine component according to claim 1, wherein the counter element has at least one through-opening (4) leading to a back space of the counter element. In the method of
Forming at least one first layer (2) on a substrate (1);
An opening (4, 5) reaching at least the substrate (1) is formed in the first layer (2), and at this time, at least one opening (4) is used as a through opening in the counter element (13). Placed in the area of the diaphragm to be formed, and at least one further opening (5) as a pressure compensating opening, placed in the area next to the diaphragm (12) to be formed;
In the first etching stage performed through the openings (4, 5) in the first layer (2) starting from the upper side of the layer structure, the substrate (1 ) Hollow chamber (6)
At least one sacrificial layer (7) is formed above the microfabricated first layer (2), with the openings (4, 5) in the first layer (2) being closed. ,
Forming a frame region (8) for the diaphragm (12) in the sacrificial layer (7);
Depositing and microfabricating on the sacrificial layer (7) at least one layer (10) from a diaphragm material;
Starting from the upper side of the layer structure, the compensation opening (5) in the first layer (2), the hollow chamber (6) under the first layer (2), and the counter element (13) Exposing the diaphragm (12) by removing the sacrificial layer in a second etching step through the through-opening (4) of
A method for manufacturing a micromachine component. ｐドーピングされたシリコン基板を基板（１）として使用し、第１の層（２）をｎドーピングされたシリコン基板によって形成し、前記第１の層（２）の開口（４，５）をトレンチプロセスによって形成し、この場合、第１のエッチング段階と、フッ化水素酸（ＨＦ）による電気仕上げ段階とを有している、請求項６記載の方法。   A p-doped silicon substrate is used as the substrate (1), the first layer (2) is formed by an n-doped silicon substrate, and the openings (4, 5) in the first layer (2) are trenched. The method of claim 6, wherein the method is formed by a process and has a first etching stage and an electrical finishing stage with hydrofluoric acid (HF). ｎドーピングを基板表面に部分的に設ける、請求項７記載の方法。   The method of claim 7, wherein n-doping is partially provided on the substrate surface. 前記第１の層（２）の、形成しようとする対抗エレメント（１３）の領域に、表面近傍における打ち込みによって、付加的なドーピングを形成する、請求項７又は８記載の方法。   Method according to claim 7 or 8, wherein additional doping is formed in the region of the counter element (13) to be formed of the first layer (2) by implantation in the vicinity of the surface. 犠牲層（７）としてＳｉＧｅ層をＬＰＣＶＤによって生ぜしめ、犠牲層材料を取り除くための第２のエッチング段階においてＣｌＦ３エッチングを用いる、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。   10. A method according to any one of claims 7 to 9, wherein a SiGe layer is produced by LPCVD as a sacrificial layer (7) and a ClF3 etch is used in a second etching step to remove the sacrificial layer material. 犠牲層としてＳｉＯ２層（１５）をＰＥＣＶＤによって生ぜしめ、第２のエッチング段階において犠牲層材料を取り除くためのＨＦ蒸気エッチングを実施する、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。   10. A method according to any one of claims 7 to 9, wherein a SiO2 layer (15) is produced by PECVD as a sacrificial layer and an HF vapor etching is performed to remove the sacrificial layer material in a second etching stage. 前記ダイヤフラム（１２）を、ドーピングされたポリシリコン層（１０）に形成する、請求項７から１１までのいずれか１項記載の方法。   The method according to any one of claims 7 to 11, wherein the diaphragm (12) is formed in a doped polysilicon layer (10). 第１のエッチング段階後に形成されたシリコン構造を、殊に熱的な酸化によって不動態化し、ポリシリコン層（１７）を犠牲層として生ぜしめ、誘電体、殊にＳｉＯ２，ＳｉＮ，Ｓｉ３Ｎ４及び／又はＳｉＣをダイヤフラム材料として使用する、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。   The silicon structure formed after the first etching step is passivated, in particular by thermal oxidation, resulting in a polysilicon layer (17) as a sacrificial layer, and a dielectric, in particular SiO2, SiN, Si3N4 and / or 10. The method according to any one of claims 7 to 9, wherein SiC is used as the diaphragm material. 犠牲層（７；１５）内に、ダイヤフラム（１２）のための、殊にＳｉＯ２又はＳｉＮ領域としての又はｐドーピングによる、絶縁されたフレーム領域（８；１６）を生ぜしめる、請求項６までのいずれか１項記載の方法。   7. In the sacrificial layer (7; 15), an insulated frame region (8; 16) is produced for the diaphragm (12), in particular as a SiO2 or SiN region or by p-doping. The method of any one of Claims. 少なくとも１つのキャップウェーハを、圧力補償開口（５）上の領域で層構造上にボンディングする、請求項６から１４までのいずれか１項記載の方法。   15. A method according to any one of claims 6 to 14, wherein at least one cap wafer is bonded onto the layer structure in the region above the pressure compensation opening (5).
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